- La modernisation des machines anciennes avec un jumeau numérique et un adaptateur OPC UA permet leur intégration dans des systèmes Industrie 4.0.
- La production basée sur les compétences automatise la planification et la vérification des opérations, éliminant la programmation manuelle complexe.
- Un système multi-agents calcule automatiquement les paramètres de fabrication en fonction des données géométriques des pièces à usiner.
- La modernisation peut se faire progressivement et ne nécessite pas la refonte totale du parc machine existant.
Les scientifiques de la RPTU Kaiserslautern-Landau démontrent comment les parcs de machines existants peuvent être adaptés à l'industrie 4.0 grâce à une modernisation ciblée. Grâce à des modifications matérielles sélectionnées, à une mise en réseau intelligente et à la mise en œuvre d'un jumeau numérique, des possibilités d'application entièrement nouvelles apparaissent, même pour des machines vieilles de plusieurs décennies dans les ateliers de production.
Dans un parc de machines connecté, les machines pourront à l'avenir s'inscrire de manière autonome pour des tâches de production adaptées, en fonction de leurs capacités (« compétences »). Le jumeau numérique de la SkillMill* sert d'interface avec le monde moderne de la fabrication. Résultat : une efficacité accrue, des processus plus précis, des investissements réduits et une intégration transparente.
* SkillMill fait référence à une machine-outil conventionnelle qui est intégrée dans un environnement connecté Industrie 4.0 grâce à une modernisation et à un jumeau numérique.
* Le Skill-Based Control (SBC) est une approche de programmation pour les systèmes de contrôle dans laquelle les processus sont cartographiés de manière modulaire et flexible sur la base de capacités prédéfinies, sans nécessiter de connaissances approfondies en matière de systèmes de contrôle.
Prêt pour demain : l'émergence d'un SkillMill pour l'industrie 4.0
Andreas Wagner et Simon Lamoth, chercheurs associés à la chaire de machines-outils et d'ingénierie de contrôle (WSKL) de la RPTU Kaiserslautern-Landau, ont modernisé une fraiseuse vieille de 60 ans grâce à une mise à niveau.
L'utilisation d'un jumeau numérique permet une production basée sur les compétences, des processus de fabrication optimisés et l'intégration dans des environnements Industrie 4.0. À l'avenir, SkillMill pourrait être intégré dans des espaces de données tels que Gaia-X ou Manufacturing-X afin de mettre ses compétences à la disposition d'autres entreprises.
Quand les machines apprennent à penser différemment
La SkillMill a été développée à partir d'une fraiseuse de 1,5 tonne construite par Friedrich Korradi. Elle a été modernisée avec de nouveaux moteurs d'alimentation, un contrôleur CNC et un jumeau numérique, ce qui lui permet de fonctionner de manière basée sur les compétences. Cela signifie que des fonctions telles que le fraisage de poches rectangulaires ou circulaires sont désormais accessibles et facilement adaptables via une interface OPC UA.
Le jumeau numérique prend en charge de nombreuses tâches traditionnellement gérées par un système CAM classique : il calcule les besoins en énergie, estime les coûts, sélectionne les trajectoires d'outils optimales et vérifie les collisions. Il fournit également des données essentielles pour les devis et la planification de la production.
Adaptateur de compétences et OPC UA
Pour intégrer la production basée sur les compétences dans les machines existantes, une interface permettant la communication entre le logiciel et le matériel est nécessaire. C'est là qu'intervient l'adaptateur de compétences.
Le Skill Adapter est une solution logicielle qui intègre les machines dans un environnement de production basé sur les compétences. Un adaptateur OPC UA sert d'interface centrale pour la communication et le contrôle. Sur cette base, différents algorithmes de prise de décision peuvent être appliqués pour optimiser efficacement le contrôle des machines.
Le Skill Adapter est particulièrement avantageux lors de la modernisation de machines anciennes initialement conçues pour un fonctionnement manuel. Au lieu de procéder à des mises à niveau matérielles coûteuses, il est possible d'utiliser un logiciel pour mettre en œuvre un contrôle automatisé basé sur les compétences. Grâce à la modernisation des moteurs et des systèmes CNC, la machine devient entièrement automatisée.
Il est également possible d'intégrer des machines à commande manuelle dans le processus de production basé sur les compétences à l'aide de l'adaptateur, ce qui permet d'impliquer les opérateurs de manière ciblée. L'utilisation de l'OPC UA comme interface standardisée garantit une communication flexible et interopérable au sein de l'architecture Industrie 4.0.
Le contrôle de faisabilité
Le contrôle de faisabilité détermine si une étape de fabrication prévue peut être exécutée avec succès dans les conditions données. Il analyse des facteurs essentiels tels que les collisions potentielles, le choix des outils, la vitesse d'avance, la vitesse de rotation de la broche, les exigences en termes de temps et la consommation d'énergie. La simulation de collision joue un rôle central, car elle garantit la sécurité du processus avant le début de la production proprement dite.
À ce stade précoce, tous les paramètres pertinents sont déjà identifiés et évalués. Par exemple, en fonction de la géométrie du composant, un outil approprié est sélectionné, à partir duquel la vitesse de broche optimale peut ensuite être dérivée.
Les résultats du contrôle de faisabilité permettent de prendre une décision claire : l'étape de fabrication prévue est-elle réalisable ou non ? Dans le même temps, les besoins en temps et en énergie peuvent être calculés, ce qui permet une évaluation économique de la tâche de production.
Calcul automatisé des paramètres en arrière-plan
La détermination des paramètres de fabrication, tels que la vitesse de rotation de la broche, est basée sur les données géométriques transmises et s'effectue automatiquement. Dès qu'un fichier CAO contenant les dimensions pertinentes d'un contour de fraisage, telles que la largeur, la longueur et la profondeur, est introduit dans le système, le logiciel sélectionne un outil approprié. La vitesse de rotation optimale de la broche est ensuite déterminée en fonction de cet outil et du matériau à usiner.
Ces valeurs sont calculées dans un système multi-agents, dans lequel des composants logiciels spécialisés prennent des décisions décentralisées.
Chaque agent est responsable d'une tâche spécifique, telle que la sélection des outils ou la définition des paramètres d'usinage. Une simulation d'enlèvement de matière met continuellement à jour l'état de la pièce, ce qui permet de planifier de manière optimale les étapes d'usinage suivantes.
Production basée sur les compétences vs fraisage CNC conventionnel
Dans un processus de fabrication conventionnel, la planification de la production commence par l'analyse des dessins techniques afin de définir le composant souhaité. La programmation du code machine est nécessaire pour effectuer une opération spécifique, telle que le fraisage d'une poche rectangulaire.
Si aucun code comparable n'existe, une reprogrammation complète est nécessaire, ce qui nécessite une connaissance approfondie des codes G et des commandes de la machine. Ce processus prend beaucoup de temps, en particulier lorsqu'il s'agit de répondre aux exigences spécifiques des clients.
L'approche basée sur les compétences réduit cet effort. Les paramètres clés tels que la longueur, la largeur et la profondeur d'une poche rectangulaire sont prédéfinis et stockés dans une interface standardisée, ce qui permet à la machine d'effectuer automatiquement les ajustements nécessaires aux outils et aux processus. Cela élimine la création manuelle de code, rendant le processus de fabrication plus flexible et plus efficace.
Entretien avec Andreas Wagner
1. Est-il facile de transformer une machine en SkillMachine ?
Andreas Wagner : Cela dépend de l'équipement de la machine et de l'objectif visé. Une automatisation complète n'est pas toujours nécessaire. Dans un premier temps, il suffit de décrire numériquement la machine et de la rendre contrôlable. Cela peut également être mis en œuvre pour les machines à commande manuelle.
Dans notre cas, nous avons équipé la machine d'un contrôleur CNC et de moteurs d'alimentation, ce qui a nécessité beaucoup plus d'efforts. En contrepartie, un fonctionnement « autonome » via des compétences devient possible.
Dans tous les cas, un « adaptateur de compétences » est nécessaire. Il s'agit d'un logiciel qui rend la machine accessible sur le réseau via une interface standardisée (généralement OPC UA).
2. La conversion en SkillMachine nécessite-t-elle l'adaptation de l'ensemble de l'infrastructure et du parc de machines ?
Andreas Wagner : Non, un système basé sur les compétences peut être introduit et développé étape par étape. Au minimum, vous avez besoin d'une machine équipée d'un adaptateur de compétences, d'un logiciel de contrôle et d'un logiciel capable de générer des plans de production.
Nous avons développé les deux derniers (logiciel de contrôle et planification de la production) sous la forme d'un seul plug-in pour un système de CAO (Siemens NX et Fusion 360). En d'autres termes : un adaptateur Skill pour une machine et un plug-in CAO suffisent pour obtenir un produit minimum viable (MVP), qui peut fonctionner en parallèle avec l'infrastructure existante.
3. Quels sont les avantages spécifiques de l'approche Skill pour le contrôle et la maintenance de la fraiseuse ?
Andreas Wagner : Étant donné que les compétences planifient et vérifient de manière indépendante le processus de fabrication, le processus CAM manuel est complètement éliminé. Seules les informations géométriques du modèle CAO sont extraites et transmises aux compétences correspondantes. Cela permet de gagner énormément de temps et peut être entièrement automatisé. Dans nos recherches, cela fonctionne déjà pour un large éventail de fonctionnalités standard.
Comme les adaptateurs de compétences, ou plutôt les jumeaux numériques, des machines peuvent être librement programmés et adaptés aux besoins des clients, leur intelligence peut être augmentée selon les besoins. Il est par exemple possible d'intégrer des algorithmes pour la maintenance prédictive et d'autres cas d'utilisation similaires.
4. Quels sont les défis liés à la modernisation des machines anciennes avec la technologie SkillMill ?
Andreas Wagner : La fraiseuse que nous avons présentée est un exemple extrême. Elle a nécessité des moteurs d'avance, de nouvelles vis à billes, un contrôleur CNC et diverses modifications structurelles. Cependant, de nombreuses machines sont déjà équipées de moteurs d'avance et de contrôleurs CNC, ce qui réduit considérablement les défis liés au matériel.
Dans ce cas, le plus grand défi consiste à mettre en œuvre la transmission du code du programme et à permettre la communication entre le Skill Adapter et la machine. Si aucun modèle CAO de la machine n'existe, il est également difficile de mettre en œuvre une simulation de collision pour cette machine dans le jumeau numérique.
À propos du projet
Le projet fait partie des recherches en cours au sein de SmartFactory-KL, un réseau d'environ 50 partenaires issus de l'industrie et du monde universitaire qui travaillent ensemble à l'avancement des technologies de l'industrie 4.0.
